邊 博，吐魯洪·吐爾迪，張 麗，王學(xué)農(nóng)

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】巴旦木是干果樹種和木本油料樹，其仁富含多種營養(yǎng)成分和部分礦物質(zhì)元素。新疆喀什地區(qū)是我國巴旦木的主產(chǎn)區(qū)。新疆巴旦木種植從2005年不足3 333.3 hm2，增長至2019年的65 140 hm2，占新疆特色林果栽培總面積的4.4%，預(yù)計(jì)5～10年內(nèi)，新疆巴旦木種植面積將達(dá)到73 333.3 hm2，巴旦木對(duì)于新疆的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的作用[1-10]。【前人研究進(jìn)展】藺建濤等[11]測量和研究杏核破殼后的物料外形尺寸和物理特性，物料摩擦特性和物料比重與懸浮速度之間的相關(guān)聯(lián)系，確定了用風(fēng)力作用進(jìn)行殼仁分離的方法。馬豪等[12]測定了核桃破殼后的物料成分含量、形態(tài)參數(shù)和空氣動(dòng)力學(xué)特性，找到了影響物料分離的主要因素，確定對(duì)核桃的殼仁物料從厚度方向上進(jìn)行篩分。王維等[13]認(rèn)為，破殼后的核桃物料在空氣動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)中可擴(kuò)大殼和仁的臨界風(fēng)速差異以降低殼中的含仁率。馬秋成等[14]針對(duì)蓮子進(jìn)行了懸浮速度的試驗(yàn)，測定蓮子物料的密度和含水率，分析這些因素和懸浮速度之間的關(guān)系，提出了蓮子合適的分離氣流速度變化范圍為7.865～11.230 m/s。Mokhtari Nahal[15]對(duì)核桃殼仁物料做了懸浮速度測試，在垂直氣流場中，物料的外形尺寸和氣流速度對(duì)分離效果有著顯著的影響。Murilo Innocentini[16]采用風(fēng)選設(shè)備對(duì)大豆豆莢和豆子進(jìn)行試驗(yàn)，獲取了較好的分離數(shù)據(jù)和工作參數(shù)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在農(nóng)產(chǎn)品空氣動(dòng)力學(xué)特性方面做了大量研究，但是在國內(nèi)關(guān)于巴旦木殼仁物料特性和空氣動(dòng)力學(xué)特性卻鮮有文獻(xiàn)論述。中國新疆種植巴旦木品種多，和國外巴旦木品種相比差異較大，目前就巴旦木物料空氣動(dòng)力學(xué)特性的研究以及相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道甚少。研究巴旦木破殼后的物料特性，進(jìn)行相關(guān)的物料特性測定和空氣動(dòng)力學(xué)特性試驗(yàn)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究新疆巴旦木破殼后物料成分的空氣動(dòng)力學(xué)特性，測量各物料成分的外形尺寸、密度、摩擦特性等，為巴旦木殼仁風(fēng)選設(shè)備研發(fā)與設(shè)計(jì)提供理論和參數(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 巴旦木品種

莎車縣種植的莎車3號(hào)和莎車18號(hào)2個(gè)品種，成熟后收獲經(jīng)脫青皮、晾干、破殼處理得到的混合物料主要由殼和仁組成，其中殼可細(xì)分為大殼、中殼、小殼3種，大殼即尺寸占整殼大小1/2以上殼，中殼即尺寸占整殼大小1/3～1/2殼，小殼即尺寸占整殼大小1/6～1/3殼。

1.1.2 主要儀器設(shè)備

存儲(chǔ)型風(fēng)速風(fēng)壓風(fēng)量儀：SENG825-2，上海億歐儀表設(shè)備有限公司；水分測定儀：PC-16A，上海浦春計(jì)量儀器有限公司；電子天平：HZT-1000A，精度為0.01 g，衡之寶電子秤有限公司；游標(biāo)卡尺：ARZ-1331，精度為0.02 mm，青島美吉特精密工具有限公司。

試驗(yàn)前正確連接各實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，把單粒物料放入觀察管下方喂料口中的阻尼網(wǎng)上，調(diào)節(jié)變頻調(diào)速器使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速加快，風(fēng)速變快，物料在垂直氣流作用下開始逐漸向上運(yùn)動(dòng)，直至所調(diào)節(jié)的流體速度等于物料的自由沉降速度時(shí)，物料會(huì)集中懸浮[17]在觀察管的某一部位，呈動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，記錄此時(shí)頻率，調(diào)小風(fēng)速取出物料，再將頻率調(diào)至所記錄的數(shù)值，用風(fēng)速儀在觀察管管壁小孔處測量當(dāng)前風(fēng)速即物料懸浮速度[18-19]并記錄，每種物料成分測試5次，取平均值。圖1

1.風(fēng)速測試孔；2.喂料口；3.風(fēng)機(jī)；4.變頻調(diào)速器；5.懸浮速度測試臺(tái)；6.觀察管

1.2 方 法

1.2.1 巴旦木殼仁物料尺寸特征

破殼后巴旦木殼仁物料的外部特征由長度a、寬度b、厚度c 3個(gè)尺寸來描述。從各25 kg的2個(gè)品種巴旦木殼仁物料中各隨機(jī)取樣5次重復(fù)試驗(yàn)，每次從混合物料中隨機(jī)取樣大殼、中殼、小殼和仁各80個(gè)，使用精度為0.02 mm的電子式游標(biāo)卡尺測得其外部特征：長度(a/mm)、寬度(b/mm)和厚度(c/mm)，取平均值。

1.2.2 破殼后巴旦木殼仁物料組成成分

巴旦木殼仁物料中各成分含量占比是設(shè)計(jì)殼仁分離裝置的重要依據(jù)之一。從25 kg莎車3號(hào)和25 kg莎車18號(hào)的殼仁物料中各隨機(jī)取樣5次，每次取樣500 g，分別標(biāo)號(hào)①～⑤組，將10個(gè)樣本物料分為大殼、中殼、小殼和仁，稱出其質(zhì)量，求出巴旦木各個(gè)物料成分所占百分比，取其平均值。

1.2.3 破殼后巴旦木殼仁物料密度

巴旦木殼仁物料密度與其空氣動(dòng)力學(xué)特性密切相關(guān)。從各25 kg的莎車3號(hào)和莎車18號(hào)殼仁物料中隨機(jī)取樣各5組，每組1 kg，按組分揀得到大殼、中殼、小殼和仁4種物料成分，依次測量每種成分的密度。以莎車3號(hào)的5組大殼為例，用天平測量每組質(zhì)量為200 g，先在量筒中取一定量的水(整數(shù)倍為宜)，記錄初始讀數(shù)，再向量筒中加入大殼物料，記錄末了讀數(shù)，其體積差為大殼的體積，計(jì)算每組大殼的密度，求其平均值，其他物料的密度依照此法進(jìn)行。

密度計(jì)算公式：

(1)

式中：ρ—物料密度，kg/m3；

V1—初始體積，m3；

V2—加物料后體積，m3；

M—物料重量，kg。

1.2.4 巴旦木殼仁物料各成分摩擦角

摩擦角就是當(dāng)物體處于滑動(dòng)的臨界狀態(tài)時(shí)，靜摩擦力達(dá)到最大值，全約束力與法向約束力的夾角最大，j稱為摩擦角。運(yùn)用摩擦角的概念，便可使用簡單的方法測定巴旦木殼仁物料的靜摩擦因數(shù)，以殼仁分離裝置中篩面同種材料作為試驗(yàn)斜面，將巴旦木殼仁物料置于斜面上，并逐漸從零起增大斜面的傾斜角度θ，直到物體剛開始下滑為止，篩面傾斜角度θ即為要測定的摩擦角。測定時(shí)分別從2種殼仁物料中隨機(jī)取適量的物料，分揀為大殼、中殼、小殼和仁4種物料成分，對(duì)每種物料成分分別進(jìn)行摩擦角的測定，每種成分測量10次為1組，求平均值，重復(fù)5次試驗(yàn)。

1.2.5 巴旦木殼仁物料懸浮速度

1.2.5.1 物料懸浮速度測量原理

巴旦木殼仁物料懸浮速度測試的原理：建立一個(gè)垂直的氣流速度場，方向向上，加入被測物料粒子之后集中懸浮，使得物料懸浮的氣流速度為粒子的懸浮速度[20-21]，物料受力[22]。圖2

圖2 物料懸浮受力

根據(jù)牛頓定律：

P=Kρa(bǔ)s(V-V′)2.

(2)

式中：K—阻力系數(shù)；

ρa(bǔ)—空氣密度(kg/m2)；

V—物料的絕度速度(m/s)；

V′—物料的相對(duì)速度(m/s)；

s—物料相對(duì)氣流速度方向的斷面積(m2)。

比較氣流對(duì)于物料的作用力P和重力mg之間的大小關(guān)系，判斷巴旦木物料粒子在垂直向上的氣流中運(yùn)動(dòng)情況。當(dāng)氣流對(duì)物料的作用力P小于重力mg時(shí)，即Pmg時(shí)物料粒子會(huì)上升；當(dāng)氣流對(duì)物料的作用力P等于重力mg時(shí)，即P=mg時(shí)物料粒子會(huì)懸浮在氣流中[23]，即

P=KρsV′2=mg.

(3)

(4)

1.2.5.2 處理

巴旦木殼仁物料是外形尺寸、密度等物料特性存在差異的不規(guī)則顆粒的集合[24-25]，無法計(jì)算懸浮速度。破殼后物料除相對(duì)比較規(guī)則的成分外，一些無法估算的物料成分，巴旦木殼仁物料在運(yùn)動(dòng)過程中呈隨機(jī)狀態(tài)，運(yùn)用試驗(yàn)來獲得懸浮速度值。

試驗(yàn)前，將破殼后的巴旦木殼仁混合物料進(jìn)行人工篩選，得到大殼、中殼、小殼、仁4種物料成分，將其作為研究對(duì)象，以莎車3號(hào)為例。圖3

圖3 巴旦木殼仁物料成分試樣

用電子秤對(duì)莎車3號(hào)的大殼、中殼、小殼和仁進(jìn)行稱重，根據(jù)重量的不同分為5組，依次編號(hào)為①～⑤，用于巴旦木物料懸浮速度與物料重量的研究。莎車18號(hào)用相同的方法處理。

將大殼、中殼、小殼和仁4種成分的物料進(jìn)行浸泡、晾置、烘干，調(diào)節(jié)含水率分別為10.5%、11.5%、12.5%、13.5%，仁的含水率調(diào)節(jié)為12.5%、13.5%、14.5%和15.5%，研究不同的物料成分懸浮速度與含水率的關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 巴旦木殼仁物料外形尺寸

莎車3號(hào)：

b(大殼)=-27.74+1.274a+0.51c，

R2=0.696.

(5)

b(中殼)=51.94-0.634a-1.625c，

R2=0.933.

(6)

b(小殼)=15.14-0.008a+0.066c，

R2=0.055.

(7)

b(仁)=1.3+0.235a+1.024c，

R2=0.279.

當(dāng)下，隨著互聯(lián)網(wǎng)5.0時(shí)代的到來，家電行業(yè)正在飛速的發(fā)展。各種款式多樣、功能豐富的新產(chǎn)品層出不窮，導(dǎo)購策略也是紛繁蕪雜。雖然消費(fèi)者們擁有了更多家電產(chǎn)品的選擇空間，但在無形中的選購難度也在大大增加。由此，“嘉電”評(píng)測項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生。

(8)

莎車18號(hào)：

b(大殼)=7.16+0.256a+0.294c，

R2=0.22.

(9)

b(中殼)=-5.26+0.971a-0.104c，

R2=0.801.

(10)

b(小殼)=11.4+0.473a-0.562c，

R2=0.201.

(11)

b(仁)=9.73+0.124a-0.006c，

R2=0.071.

(12)

2個(gè)品種巴旦木物料中中殼R2>0.8，擬合度較好。在進(jìn)行巴旦木殼仁物料篩選分離時(shí)優(yōu)先考慮中殼物料分離，達(dá)到比較好的分離效果。表1

表1 巴旦木殼仁尺寸

2.2 巴旦木殼仁物料成分占比

研究表明，莎車3號(hào)和莎車18號(hào)的仁占比分別是29.9%和31.59%，相同量的2種殼仁物料中，莎車18號(hào)的仁占比較高。2個(gè)品種中大殼占比分別為26.8%和26.58%，中殼占比分別22.11%和22.84，這2種物料含量差異不大。莎車3號(hào)小殼占比21.22%，莎車18號(hào)小殼占比18.99，相差2.23%，在殼仁分離的過程中前者的分離難度偏大。表2

表2 巴旦木殼仁物料成分

2.3 巴旦木殼仁物料密度

研究表明，莎車3號(hào)和莎車18號(hào)的中殼和仁2種物料密度差值很小，前者的大殼和仁密度分別為857和1 002 kg/m3，后者相應(yīng)物料密度為853和 1 000 kg/m3。而大殼和小殼的差值就很明顯，莎車3號(hào)大殼和小殼密度分別為889和800 kg/m3，莎車18號(hào)相應(yīng)物料密度分別為857和769 kg/m3，相應(yīng)物料的差值分別為32和31 kg/m3。表3

表3 巴旦木殼仁物料密度

2.4 巴旦木殼仁物料摩擦角

研究表明，莎車18號(hào)的大殼、中殼、小殼和仁的最大摩擦角都大于莎車3號(hào)相應(yīng)的物料成分。其中，莎車3號(hào)和莎車18號(hào)的殼仁物料中大殼最大摩擦角均值分別為26.5°和27.1°，中殼最大摩擦角均值分別為25.3°和25.7°，小殼最大摩擦角均值分比為23.9°和24.2°，仁最大摩擦角均值分別為21.4°和22.4°。隨著物料與鋼制斜面的接觸面積逐漸減小，最大摩擦角也隨之減小，而且莎車18號(hào)各物料成分最大摩擦角依次減小幅度大于莎車3號(hào)。表4

表4 巴旦木殼仁物料摩擦角

2.5 巴旦木殼仁物料懸浮速度

2.5.1 物料懸浮速度與重量的關(guān)系

研究表明，質(zhì)量相近的相同物料其懸浮速度也比較接近，2個(gè)巴旦木品種中每種物料成分的5組試驗(yàn)樣品懸浮速度變化程度在一定范圍以內(nèi)，數(shù)據(jù)滿足均勻性。在含水率確定的情況下，物料重量對(duì)懸浮速度影響明顯，莎車3號(hào)大殼、中殼、小殼、仁的標(biāo)準(zhǔn)差依次為0.432、0.431、0.105、0.11，變異系數(shù)依次為0.048、0.054、0.014、0.008；莎車18號(hào)相應(yīng)物料的標(biāo)準(zhǔn)差依次為0.423、0.283、0.226、0.325，變異系數(shù)依次為0.045、0.034、0.029、0.026，標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)值都小于0.5，離散程度較小。表5，表6

表5 莎車3號(hào)物料懸浮速度

表6 莎車18號(hào)物料懸浮速度

研究物料重量M與懸浮速度V之間的聯(lián)系，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，2個(gè)品種物料中物料占比相對(duì)較高的中殼和仁懸浮速度變化趨勢擬合方程分別如下。

莎車3號(hào)：

V(中殼)=6.007+3.725M,R2=0.982.

(13)

V(核仁)=12.895+0.762M,R2=0.967.

(14)

莎車18號(hào)：

V(中殼)=7.885+1.548M,R2=0.925.

(15)

V(核仁)=11.331+1.547M,R2=0.971.

(16)

2.5.2 物料懸浮速度與含水率的關(guān)系

研究表明，物料重量一定時(shí)含水率和懸浮速度呈正比例關(guān)系。以莎車3號(hào)為例，隨著含水率遞增大殼的懸浮速度依次為10.01、10.54、11.21和11.67 m/s；中殼懸浮速度依次為8.77、9.18、9.62和10.11 m/s；小殼懸浮速度依次為8.15、8.63、9.09和9.56 m/s；仁懸浮速度依次為13.5、 13.98、14.66和15.17 m/s。圖4，表7～9

圖4 仁含水率與懸浮速度趨勢

表7 仁物料在不同含水率下的懸浮速度

表8 殼物料在不同含水率下的懸浮速度

表9 懸浮速度變化趨勢擬合多項(xiàng)式

3 討 論

空氣動(dòng)力學(xué)特性用懸浮速度值表征[26]，在巴旦木殼仁分選裝置的設(shè)計(jì)研發(fā)之初，應(yīng)當(dāng)對(duì)殼仁物料的懸浮速度進(jìn)行研究。于福鋒等[27]通過試驗(yàn)探究紅棗在不同含水率下對(duì)懸浮速度特性的影響趨勢，結(jié)果表明，試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為集中，可將平均值作為不同含水率下紅棗的懸浮速度。Valizadeh[28-29]在相同的含水量范圍內(nèi)，測得小黑麥種子的終末速度在4.52～5.07 m/s呈多項(xiàng)式關(guān)系變化。研究表明，巴旦木物料的殼仁重量和含水率對(duì)其懸浮速度值都有一定程度的影響，重量和含水率越高，則相應(yīng)的物料懸浮速度值也高。此次試驗(yàn)沒有運(yùn)用粒徑法進(jìn)行物料阻力系數(shù)分區(qū)進(jìn)而通過懸浮速度理論計(jì)算與懸浮速度實(shí)際測量值進(jìn)行對(duì)比分析，巴旦木破殼后物料都是不規(guī)則形狀，其形狀修正系數(shù)[30]在資料中沒有查證到，無法確定形狀修正系數(shù)。

4 結(jié) 論

4.1 莎車3號(hào)和莎車18號(hào)2個(gè)巴旦木品種存在物料特性差異，對(duì)2個(gè)品種巴旦木破殼后的物料進(jìn)行外形尺寸、物料成分占比、密度和摩擦角的測定，莎車3號(hào)的大殼、中殼、小殼外形尺寸均大于莎車18號(hào)，而莎車18號(hào)仁的物料占比為31.59%，高于莎車3號(hào)。2個(gè)品種的大殼和小殼密度分別相差很大，歸因于2個(gè)巴旦木品種獨(dú)特的殼力學(xué)特性在破殼后產(chǎn)生不同尺寸的殼物料。莎車3號(hào)各物料成分摩擦角均值整體小于莎車18號(hào)，前者殼物料與鋼制斜面的最大靜摩擦力小于后者。

4.2 巴旦木殼和仁普遍含水率分別在10.5%和12.5%左右，分離莎車3號(hào)物料時(shí)氣流速度應(yīng)當(dāng)控制在8.15～13.5 m/s，莎車18號(hào)分離氣流速度控制在8.54～13.88 m/s。

4.3 莎車3號(hào)大殼、中殼、小殼重量平均值依次為1.36、0.76和0.38 g，對(duì)應(yīng)的懸浮速度平均值依次為9.99、8.84和8.12 m/s。莎車18號(hào)大殼、中殼、小殼重量平均值依次為1.78、0.96和0.47 g，對(duì)應(yīng)的懸浮速度平均值依次為10.46、9.23和8.56 m/s。不同殼物料成分所對(duì)應(yīng)的懸浮速度存在明顯差異。